2023年世际生物技术带来的机遇（教学课件）.ppt

21世纪生物技术开展带来世纪生物技术开展带来的机遇与挑战的机遇与挑战 吴兴泉吴兴泉 博士博士 1 主要内容 1、生物技术及其开展历程。2、21世纪生物技术研究进展 3、机遇与挑战并存 2 1、生物技术及其开展历程、生物技术及其开展历程 3 1.1、生物技术与生物工程、生物技术与生物工程 生物技术(Biotechnology)：又称生物工程。是以生命科学为根底，利用生物体系和工程原理生产生物制品和创造新物种的综合性科学技术。农业大词典，1998 4 生物技术：1917年匈牙利人Karl Ereky提出，其含义为“用甜菜作为饲料进行大规模养猪时，即利用生物将原材料转变为产品。5 酿酒和制醋在中国有数千年的历史。19世纪用酵母进行大规模发酵生产乳酸、酒精、面包酵母、柠檬酸和蛋白酶等初级代谢产物。巴斯德的发酵科学理论。1928年，Flemming爵士发现青霉素发现青霉素，为抗生素生产开创了先河。6 1940年后，抗生素工业成为生物技术产业的 支柱。1960年后，酶制剂 现代生物技术的核心是DNA重组技术 1.2 传统生物技术传统生物技术 7 步步 骤骤 传统生物技术主要是通过微生物初级发酵来生产 商品，一般包括3个重要步骤：(1)上游处理过程：对粗材料进行加工，作为微生物的营养和能量来源。(2)发酵和转化：发酵指目的微生物的大量生长，发酵过程必须在一个大的生物反响器内进行(100L)，连续生产目的产品(抗生素、氨基酸、蛋白质等。(3)下游处理过程：目的产物的纯化过程(既可从细胞培养液中纯化,也可直接从细胞中纯化)。8 目标及改进措施目标及改进措施 目标：最大限度地提高效率 措施：改进上游处理过程、生物反响器的设计和下游纯化过程的相关技术，使发酵过程的监测、生物反响体系的检测技术和有效地大量培养微生物的技术和相关仪器方面都取得重要进展。9 难难 点点 生物转化环节的优化 原因：通常用于大规模生产的培养条件往往 不是自然条件下微生物的最正确生长条件。对策：通过化学突变、化学诱变或紫外线照对策：通过化学突变、化学诱变或紫外线照射诱变来改进菌种，提高产量，获得了较大射诱变来改进菌种，提高产量，获得了较大的成功，如多种抗生素的大量生产。的成功，如多种抗生素的大量生产。10 局限性局限性 提高产量的幅度非常有限：突变菌株中某一组分的大量合成影响了其他代谢产物的合成，进而影响微生物在发酵过程中的生长；11 传统诱变过程繁琐、耗时长、费用高、筛选和检测的克隆数量大；只能提高一种代谢产物的产量 根本出路根本出路 现代生物技术：DNA重组技术 12 1.3 现代生物技术现代生物技术 13 生物技术的分支按领域分 基因工程 细胞工程 酶蛋白质工程 发酵工程 14 基因工程基因工程 又称又称DNA重组技术，是指通过对重组技术，是指通过对DNA分子分子的操作来创造对人类有用的生物或产品。的操作来创造对人类有用的生物或产品。换句话说是指科学家利用换句话说是指科学家利用DNA重组技术重组技术改变或重组基因，将它们转化到不同的生物体改变或重组基因，将它们转化到不同的生物体内，从而创造出新的生物类型。内，从而创造出新的生物类型。基因工程是现代生物技术的根底。基因工程是现代生物技术的根底。15 优优 点点 具有目的性、严谨性。可有方案、有目的、严格准确人工构建高产微生物菌株。使之成为生产，如胰岛素、干扰素、生长素、抗体等人们所需要的产品；16 2、21世纪生物技术研究进展 2.1 现代生物技术与农业开展现代生物技术与农业开展 2.2 工业现代生物技术与医学研工业现代生物技术与医学研究究 17 生物技术在提高农作物的抗性和改进品质方面也发挥了重要作用，2.1 生物技术与农业开展生物技术与农业开展 18 全世界批准进行大田释放的转基因植物已达4387项，其中以抗除草剂和抗虫作物最多。2.1.1 转基因技术 何为转基因何为转基因 “转基因转基因是指将外源性基因转移到某种是指将外源性基因转移到某种特定生物体中，使其生物性状或机能发生特定生物体中，使其生物性状或机能发生局部改变。局部改变。19 例如，将细菌体内的抗虫基因转入棉花，使棉花可以抵抗害虫的危害。将鱼体内的抗冻基因转入西红柿使其可抵御寒冷；转基因技术的开展史转基因技术的开展史 1982年，将大鼠生长激素重组基因导入小年，将大鼠生长激素重组基因导入小鼠受精原核内，获得了人类历史上第一鼠受精原核内，获得了人类历史上第一个转基因动物个转基因动物转基因转基因“超级鼠超级鼠，比一般的小白鼠大一倍。比一般的小白鼠大一倍。1983年，世界上第一例转基因植物年，世界上第一例转基因植物一种一种含有抗生素药类抗体的烟草含有抗生素药类抗体的烟草在美国成在美国成功培植。功培植。1994年，孟山都年，孟山都(Monsanto)公司下属公司下属Calgene公司研制的延熟保鲜转基因番茄公司研制的延熟保鲜转基因番茄是第一个转基因食品。是第一个转基因食品。20 1997年全球转基因作物种植面积1100万公顷，1998年就到达3000万公顷，2002年，到达5870万公顷，“在7年的时间里，全球被转基因作物覆盖的面积增加了34倍，21 2.2.2 转基因植物 转基因作物的种类及种植面积转基因作物的种类及种植面积 目前全球已拥有目前全球已拥有120多种转基因植物，其中多种转基因植物，其中 转基因大豆、棉花、玉米、油菜、西红柿等转基因大豆、棉花、玉米、油菜、西红柿等51种种 转基因作物已开始商品化生产。转基因作物已开始商品化生产。在所有转基因作物中，转基因的大豆、玉米、棉花在所有转基因作物中，转基因的大豆、玉米、棉花和油菜的种植面积占和油菜的种植面积占99%以上。以上。全球种得最多的转基因作物是大豆，占全球大豆全球种得最多的转基因作物是大豆，占全球大豆 总种植面积的总种植面积的62%，接下来是玉米，接下来是玉米 21%和棉和棉花花12%。种植转基因作物所带来的总价值估计为种植转基因作物所带来的总价值估计为42.5亿美元，亿美元，而在前一年那么为而在前一年那么为38亿美元。亿美元。22 转基因作物的分布转基因作物的分布 现在，有16个国家种植转基因作物，美国、阿根廷、加拿大、中国的转基因作物占了全球总数的99%。23 美国保持着绝对优势地位。目前美国国内74%的大豆、75%的棉花和30%的玉米都是转基因品种。在美国市场上有4 000多种食品含有转基因成分，占整个零售食品的60%以上。作物转入的外源基因的类型及方法作物转入的外源基因的类型及方法 类型：转基因作物涉及的遗传改进性状主要类型：转基因作物涉及的遗传改进性状主要包括：抗除草剂基因占总面积的包括：抗除草剂基因占总面积的71%，抗，抗虫基因占虫基因占28%，抗病毒基因占，抗病毒基因占1%。方法：农杆菌介导法、基因枪。方法：农杆菌介导法、基因枪。24 中国的转基因作物中国的转基因作物 中国正在研发的转基因作物和林木有47种，特别是在转基因抗虫棉、转基因水稻等领域的研究成果已居世界前列，2002年，我国转基因作物种植面积突破210万公顷。25 我国目前到底有多少转基因食品？已经超过2000万吨。目前我国极少生产粮食、油料作物等转基因食品。我国的转基因食品根本上都是进口的。排在前三位的是：大豆、玉米、油菜。我国去年进口大豆1500万吨，与国内自产的非转基因大豆数量相当。目前我国进口大豆主要用做加工原料，生产豆油、豆腐、豆奶等制品。26 获益的主要途径有三个：防止虫害和杂草危害，增加产量；由于减少了杀虫剂和除草剂等农药的用量，降低了生产本钱，农民的纯收入相对增加；通过减少农田害虫和杂草防治的工作量，节省劳力本钱，相对增加了农民的经济收入。27 转基因植物带来的经济效益 2.2.3 转基因动物 转基因动物：是通过人工的实验方法，将别的基因导入动物细胞，与动物本身的基因整合在一起，并随细胞的分裂而繁殖，并且能够将别的基因信息遗传给后代，严格意义上说，转基因动物是人工创造的新动物。28 从屠宰场杀掉的奶牛体内收集卵母细胞，并使之在体外成熟；用公牛精子对成熟卵母细胞进行体外受精；将欲导入的基因微注射到受精卵中；对胚胎进行体外培养；利用非外科移植术将一个胚胎植入代孕母牛子宫内；对子代进行基因检测确定是否存在转入基因。29 微注射的方法其主要步骤：转基因动物的主要目的：转基因动物的主要目的：动物改进：使肉质改善、饲料增效、个动物改进：使肉质改善、饲料增效、个体增大、体重增加、奶量提高、脂肪减体增大、体重增加、奶量提高、脂肪减少、增强动物抗病力等。少、增强动物抗病力等。生物制药：将药物蛋白基因转入羊、牛生物制药：将药物蛋白基因转入羊、牛体内，使乳汁中含有体内，使乳汁中含有“药药，利用转基，利用转基因动物生产蛋白质、造药，将是全新的因动物生产蛋白质、造药，将是全新的药物生产模式。药物生产模式。转基因动物生产人体器官：还将是人类转基因动物生产人体器官：还将是人类最好的最好的“器官库器官库，提供从皮肤、角膜，提供从皮肤、角膜，到心、肝、肾等几乎所有的到心、肝、肾等几乎所有的“零件零件。30 转基因牛 改善牛奶的成分 生产药物 增加产奶量 31 转基因猪研究主要集中于四个方面：1选育成高产、优质品种。“超级猪。2用作研究人类疾病的动物模型。3生产人类药用蛋白：如生产人血红蛋白。4利用转基因猪生产人体器官。转基因猪 32 转基因鱼 中国1985年就首先报道了第一例成功的转基因鱼。目前在转基因鱼中，大局部转入的基因都是生长激素基因，使鱼生长速度大大提高。2002湖北科技博览会“转基因黄河鲤鱼首次亮相，这种鱼生长快，高蛋白低脂肪。两三年内有望上餐桌。33 2003年11月21日，美国得到的一种能发红发红色荧光色荧光的转基因斑马鱼。售价估计为每条5美元。34 转基因羊 对绵羊、山羊所进行的转基因研究大多集中于利用其乳腺作为生物反响器生产药用蛋白。98年初，上海医学遗传所获得5只转基因山羊。可生产一种药物蛋白人凝血九因子。35 2.2 生物技术与医学研究生物技术与医学研究 36 2.2.1 基因工程药物基因工程药物 2.2.2 基因治疗基因治疗 2.2.1 基因工程药物 胰岛素3种 人生长激素3种 干扰素6种 白细胞介素21种 乙型肝炎疫苗3种 甲型肝炎疫苗1种 目前，大量与人类健康密切相关的基因都得到克隆和表达，胰岛素、生长激素、细胞因子和多克隆抗体等基因工程药物 已获准上市，美国至1997年7月已批准39种药物。37 基因治疗是指将人的正常基因或有治疗作用的基因通过一定方式导入人体靶细胞以纠正基因的缺陷或者发挥治疗作用，从而到达治疗疾病目的的生物医学新技术。目前开展的基因治疗只限于体细胞。基因治疗目前主要是治疗那些对人类健康威胁严重的疾病。包括：遗传病如血友病、囊性纤维病、家庭性高胆固醇血症等、恶性肿瘤、心血管疾病、感染性疾病如AIDS、类风湿等 2.2.2 基因治疗基因治疗 38 3.1 生物技术中的巨大商机生物技术中的巨大商机 3、机遇与挑战并存 3.2 生物技术开展中的主要问题生物技术开展中的主要问题 39 生物技术是解决人类人类面临的六大难题的根本出路：21世纪人类面临的六大难题(人口、食品、健康、资源、环境和能源)关系到人类的生存和进步,关系到社会、经济和国家的稳定,关系到一个民族的素质和兴旺。这些问题都需要依靠生物技术来解决。我国政府也日益重视对生物技术研究和开发的支持力度。3.1 生物技术的中的巨大商机生物技术的中的巨大商机 40 开展趋势开展趋势 基因操作新技术和方法一出现便被快速商品化加以应用。基因工程药物和疫苗研究与开发进展迅速使医药工业具有光明前景。转基因动、植物的大量出现和广泛应用，将极大地满足人类的生活需要。生物体基因组方案的开展和后基因组时代的到来使生命科学成为21世纪的带头学科。目前已完成多个原核生物和1个真核生物酵母的基因组全序列。与人类重大疾病相关的基因，农作物抗逆基因和农艺性状相关基因是今后研究的一个热点。重大疾病的基因治疗将取得重大进展。蛋白质工程成为基因工程后的新热点。生物信息技术的广